【文章內(nèi)容簡介】 果不采取有效措施控制溫室氣體排放，那么人類的發(fā)展將因此而受到極大影響。 我國 CO2的排放量僅次于美國，居全球第二。導(dǎo)致這種狀況的主要原因是我國能源資源的不均衡及消費結(jié)構(gòu)的不合理，煤炭資源約占我國資源總量的 75%左右，煤炭消費占能源消費總量的 65%以上，而且以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)短期內(nèi)很難改變，加上我國的人口總數(shù)仍將繼續(xù)增長，因此能源消費和溫室氣體排放的增長不可避免，能源供應(yīng)和能源環(huán)境問題仍將是制約我國經(jīng)濟發(fā)展的突出問題之 一。 由于人口、資源和環(huán)境的限制，我國的經(jīng)濟發(fā)展必須走低資源消耗、低能耗、低碳經(jīng)濟的發(fā)展道路，把節(jié)能減排與可再生能源的發(fā)展結(jié)合起來，大力發(fā)展高效、節(jié)能、清潔技術(shù)，依靠科技創(chuàng)新走低碳經(jīng)濟之路，大幅降低溫室氣體的排放，為我國經(jīng)濟的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供保障 [5]。 作為發(fā)展中國家，我國在溫室氣體減排上付出了實際行動，成立了應(yīng)對控制溫室氣體排放的相關(guān)機構(gòu)，制定了節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化的一系列政策。我們相信，只要全人類共同努力，減少溫室氣體排放，緩解全球氣候變化的目標是可以實現(xiàn)的。 二氧化碳主要來源 CO2 被許 多人認為是溫室效應(yīng)的元兇，是一種有害的廢氣，人為二氧化碳排放的主要來源是能源生產(chǎn)和交通運輸中的化石燃料燃燒。土地用途的改變和森林采伐也釋放更多 CO2到環(huán)境。 1. 發(fā)電：多數(shù)電廠使用的能源為化石燃料，使用化石燃料發(fā)電所排放的 CO2，約占全球排放量的 36%。 2. 運輸：運輸工具使用化石燃料所排放的 CO2約占全球排放量的 24%，以汽車為主要來源。 3. 工業(yè)：若不包括電力的使用，工業(yè)在全球 CO2排放量中約占 18%。未來，隨著開發(fā)中國家的經(jīng)濟成長， CO2的排放量會大幅提升。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 4 4. 建筑物：建筑物使用電力和燃料來 產(chǎn)生冷暖氣、照明和動力，其中住宅CO2排放量約占全球的 8%。 5. 森林：根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報告顯示，在 1980 年代砍伐掉的森林，所減少對大氣中 CO2的吸存能力，約占人為碳排放總量的四分之一。 6. 呼吸作用：動植物的呼吸作用都會產(chǎn)生 CO2。 其中，在所有排放 CO2的行業(yè)中，電力工業(yè)是排放量最多的行業(yè)之一。減少電力工業(yè) CO2排放對控制總排放量的減少具有特殊的重要意義。 二氧化碳的應(yīng)用 CO2 是很好的資源，是植物進行光和作用的必須原料，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用 [6]。 1. 為農(nóng)業(yè)提供服 務(wù) 作為一種廉價的原料 CO2在農(nóng)業(yè)上可用于蔬菜、瓜果的保鮮貯藏，在現(xiàn)代化倉庫里常充入 CO2，用 CO2貯藏的食品由于缺氧和 CO2本身的抑制作用， 可有效地防止食品中細菌、霉菌、蟲子生長，避免變質(zhì)和有害健康的過氧化物產(chǎn)生，并能保鮮和維持食品原有的風(fēng)味和營養(yǎng)成分， CO2不會造成谷物中藥物殘留和大氣污染。用 CO2通入大米倉庫 24h，能使 99%的蟲子死亡，延長了糧食和蔬菜的保存期。把 CO2引入蔬菜溫室直接施用 CO2作肥料，利用植物根部吸收 CO2，可以增進植物的光合作用，能增加蔬菜的生長速度，縮短其生長周期，促進農(nóng)作物 生長，增加產(chǎn)量，提高溫室的經(jīng)濟效益。固態(tài)的 CO2即 “ 干冰 ” ，主要用作致冷劑，用飛機在高空噴撒 “ 干冰 ” ，可以使空氣中水蒸氣冷凝，形成人工降雨，能解決久旱無雨，莊稼失收的問題。 2. 為工業(yè)服務(wù) 在輕工業(yè)上，生產(chǎn)碳酸飲料、啤酒、汽水等都需要 CO2。除此還可以用于有機合成各種化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生產(chǎn)甲醛、加氫合成二甲醚、或者利用環(huán)氧丙烷、 CO2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，現(xiàn)在又研究成功了許多新的工藝方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然氣、乙烯、丙烯等低級烴類， 合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、 丙酯及芳烴的烷基化，合成高分子單體及進行二元或三元共聚，制成了一系列高分子材料等，另外，利用 CO2代替?zhèn)鹘y(tǒng)的農(nóng)藥作殺蟲劑，也在研究之中。 在工業(yè)上 CO2是很好的致冷劑。它不僅冷卻速度快，操作性能好，不浸濕產(chǎn)品， 不會造成二次污染，而且投資少，人力省。利用 CO2保護電弧焊接，既可避免金屬表面氧化，又提高焊接速度。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 5 3. 其他用途 （ 1） 用于醫(yī)療：人體呼吸的有效刺激因素，它通過對人體外化學(xué)感受器的刺激，興奮呼吸中摳。如果一個人長時間吸入純氧，體內(nèi) CO2濃度過低，可導(dǎo)致呼吸停止。因此，臨床上把 5% CO2與 95%氧氣的混合氣體應(yīng)用于一氧化碳中毒、溺水、休克、堿中毒的治療和麻醉上的應(yīng)用。 （ 2） 用于實驗室：在實驗室里， “ 干冰 ” 與乙醚等易揮發(fā)液體混合，可以提供 77176。C 左右的低溫??；同時國外普遍利用 CO2進行食品、飲料、油料、香料、藥物等加工萃取。 （ 3） 用于地下開采： CO2作為油田注入劑，可有效地驅(qū)油和提高石油的采油率；也可用于注入地下難于開采的煤層，使煤層氣化，獲得化工所需的合成氣體等。 因此如何吸收凈化 CO2以及對其進行綜合利用是現(xiàn)如今廣大環(huán)境科技工作者面臨的重要課題。 二氧化碳的吸收方法 CO2 的處理技 術(shù)一般分可為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類?，F(xiàn)階段，從大氣中分離固定 CO2技術(shù)主要有生物法，而從燃放氣中分離回收CO2技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和物理 化學(xué)法等。 物理法 物理法包括物理溶劑吸收法、膜分離法、低溫蒸餾法和吸附法。 物理吸收法 采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作為吸收劑，利用 CO2在這些溶劑中的溶解度隨壓力而變化的原理來吸收的方法 [7]。 1. 水洗法應(yīng)用最早，具有流程簡單、運行可靠、溶劑水廉價易得等優(yōu)點，但其設(shè)備龐大、電耗高、產(chǎn)品純度低并造成污染等特點，一般不采 用。 2. 低溫甲醇法應(yīng)用較早，具有流程簡單、運行可靠外，能耗比水洗法低，產(chǎn)品純度較高，但是為獲得吸收操作所需低溫需設(shè)置制冷系統(tǒng)，設(shè)備材料需用低溫鋼材，因此裝置投資較高。 3. 碳酸丙烯酯法 （ 簡稱 PC法 ） 是近年來中小型氨廠常用脫碳和回收 CO2的方法。它具有溶液無毒、濃溶液對碳鋼腐蝕性小，能耗比甲醇法低等優(yōu)點，缺點是 PC 溶劑循環(huán)量大，造成溶劑損耗大，操作費用較高。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 6 典型的物理吸收法有環(huán)丁砜法、 N甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（ Selexol 法 ） 、低溫甲醇法 （ Rectisol 法 ） 、碳酸丙烯酯法 （ Flour 法 ） 等。其關(guān)鍵在于吸收劑的選擇，要求吸收劑必須對 CO2的溶解度大、選擇性好、沸點高、無腐蝕、無毒性以及性能穩(wěn)定 [8]。 1. 環(huán)丁砜法：由環(huán)丁砜一、二異丙醇胺水組成的溶液作為吸收劑，溶液的吸收壓力從稍高于大氣壓至 7MPa，凈化氣中 CO2含量可降低至 50mg/m3以下，可用于脫除變換氣中的 CO2。 2. N甲基吡咯烷酮法：用 N2甲基吡咯烷酮作為溶劑，吸收壓力一般為～ 7MPa，該法可選擇脫除硫化氫，用于從高壓天然氣或合成氣中除去大量 CO2。 3. Selexol 法：用聚乙烯乙二醇二甲酯 （ DEPG） 為吸 收劑，操作溫度為 261K。 4. Rectisol 法：以冷甲醇為吸收溶劑，操作溫度 211～ 272K，壓力 214～810MPa， 該工藝氣體凈化度高、選擇性好，氣體的脫硫和脫碳可在同一塔內(nèi)分段、選擇性進行，被廣泛應(yīng)用于合成氨、合成甲醇和其他羰基合成和天然氣脫硫等氣體凈化裝置中。 5. Flour 法：用碳酸丙烯酯為吸收劑，吸收壓力一般在 以上，凈化氣中 CO2含量小于 1%，該法可同時脫除 H2S，可用于脫除天然氣及變換氣的 CO2。 以 Selexol 法為例， Selexol 法的溶劑由美國 Norton 公司開發(fā)， 一些商業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)尚沒有公開，方法在化工行業(yè)已得到了多年的應(yīng)用。所使用的吸收劑具有無毒、熱穩(wěn)定性好、不分解及無腐蝕性等特點，整體設(shè)備采用碳鋼設(shè)備，由于此吸收劑蒸汽壓極低，因此揮發(fā)損失少。此法之操作條件為吸收溫度 5～ 0176。C ，CO2 回收率可達 95%。其主要缺點是工藝流程龐大，而且吸收過程中吸收劑蒸汽壓較高，致使其溶劑損失較大。工藝流程如圖 11所示。 物理吸收法的優(yōu)點是吸收能力強，吸收劑用量少，吸收劑的再生不需要加熱，通過降壓即可實現(xiàn)，因此所需再生能量相當(dāng)少，溶劑不起泡，不易腐蝕設(shè)備；但由于 CO2在溶劑中的溶 解服從亨利定律，因此這種方法只適用于 CO2分壓較高的條件，而且 CO2的去除程度不高，成本相對也較高。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 7 圖 11 Selexol法脫 CO2工藝流程 [9] 膜分離法 膜分離法是利用某些聚合材料制成的薄膜，對不同氣體的滲透率不同來分離氣體的。膜是一種起分子級分離過濾作用的介質(zhì)，驅(qū)動力是壓差，當(dāng)混合氣體與膜接觸，膜兩邊存在壓力時，滲透率高的氣體組分以很高的速率透過薄膜，形成滲透氣流， 滲透率低的氣體則被選擇性的攔截，絕大部分在薄膜進氣一側(cè)形成殘留氣流，兩股氣流分別引出，從而使混合氣體的不同組分 被分離，這種分離是分子級的分離。膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進國家的高度重視，近三十年來，美國、加拿大、日本和歐洲國家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進膜技術(shù)迅速發(fā)展 , 使用范圍日益擴大，為許多行業(yè)高質(zhì)量地解決了分離、濃縮和純化的問題，為循環(huán)經(jīng)濟、清潔生產(chǎn)提供依托技術(shù) [8]。 膜分離法包括分離膜和吸收膜兩種類型。分離膜和吸收膜如圖 12所示。 圖 12 分離膜和吸收膜 [10] 使用薄膜法處理含大量 CO2廢氣時，無論使用哪類薄膜，除要對 CO2具有高CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 8 選擇性外， CO2透過率亦需越高越好，只 是排放氣中主要成分氮氣和 CO2的分子大小十分接近，高選擇性和高滲透率不易同時實現(xiàn)。工業(yè)上用于 CO2分離的膜材質(zhì)主要有：醋酸纖維、乙基纖維素、聚苯醚及聚砜等，近年來一些性能優(yōu)異的新型膜材質(zhì)正不斷涌現(xiàn)，如聚酰亞胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜復(fù)合膜、含二胺的聚碳酸酯復(fù)合膜、丙烯酸酯的低分子含浸膜等，均表現(xiàn)出優(yōu)異的 CO2滲透性。 膜分離法 工藝流程如圖 13所示。 圖 13 膜分離法工藝流程 [11] 膜分離法工藝的特點：膜分離法具有一次性投資較少、設(shè)備緊湊、占地面積小、能耗低、工藝簡單操作方便等優(yōu)點，是應(yīng)用前景 良好的 CO2氣體分離方法，但膜分離法的缺點是需要前級處理、脫水和過濾，且難以得到高純度的 CO2。 低溫蒸餾法 低溫蒸餾法利用天然 CO2氣源中主要組份甲烷和 CO2間沸點的差異， 以蒸餾方法將 CO2分離出來，主要應(yīng)用于一些富含 60%～ 90% 的天然 CO2氣源中回收 CO2，供二次采油用。因此，此法具有一定的局限性 [7]。 低溫蒸餾法工藝流程圖如圖 14所示。 圖 14 低溫蒸餾法工藝流程 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 9 吸附法 吸附法是采用固體吸附劑吸附混合氣中的 CO2，其原理是根據(jù) CO2 分子空間結(jié)構(gòu)、分子極性等性質(zhì)，選 取對混合氣體中 CO2組分有強于其他組分吸附力的吸附劑，由于混合氣體中各組分分子與吸附劑表面活性點的引力具有差異， 當(dāng)混合氣體在一定壓力下通過吸附床所載的吸附劑時，吸附劑對 CO2進行選擇性吸收，進而實現(xiàn)對二氧化碳氣體的分離、回收 [6]。 吸附法主要包括變壓吸附法 （ PSA） 和變溫吸附法 （ TSA） 。 以變壓吸附法 （ PSA） 為例： 變壓吸附技術(shù)利用吸附劑對混合氣體中的不同組分具有不同吸附容量的特性， 在較高壓力下選擇吸附混合氣體中的 CO2，然后通過減壓的方式使 CO2解吸出來，從而實現(xiàn) CO2的分離與提純。 變壓吸附 法流程如圖 15 所示 。 圖 15 變壓吸附法流程圖 [11] 現(xiàn)階段，變壓吸附法發(fā)展較為迅速，大型工業(yè)化吸附裝置已投入使用，其CO2 分離效率可達 99%以上。在化肥、石化等工業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛。在國內(nèi)，西南化工研究院技術(shù)力量雄厚，在變壓吸附研究、開發(fā)、設(shè)計、安裝方面，處于領(lǐng)先地位。 吸附法特點：吸附法原料適應(yīng)性廣，無設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染，工藝簡單，壓力適應(yīng)范圍廣 （ ～ ） ，產(chǎn)品純度高，調(diào)節(jié)能力強，但解吸頻繁，需要大量吸附劑，對自動化程度要求高，更適用于 CO2濃度在 20%～ 80%的工業(yè)氣體，而且需要預(yù)處理煙氣中的水和顆粒物，以免吸附劑吸附效果降低。 CO2 吸收凈化系統(tǒng)的設(shè)計及三維模擬 10 物理 化學(xué)法 目前，物理 化學(xué)法主要有 CO2 分解法。該法是借助高能射線或電子射線等放射線，對排出的含有大量 CO2的燃放氣進行輻射，使其中的 CO2分解為一氧化碳和氧氣，一氧化碳在經(jīng)過高能輻射，轉(zhuǎn)而生成 C3O2 和 O2，其反應(yīng)方程式為： 一次輻射： CO2 →CO + 1/2O 2； 二次輻射： 3CO →C 3O2+ 1/2O2 和 3CO2 →C 3O2 + 2O2。 這種方法，尚處于基礎(chǔ)研究階段，要實現(xiàn)工業(yè)化，還有大量技術(shù)問題需要解決。 化學(xué)法 化學(xué)法分離處理 CO2主要包括碳氫化合物轉(zhuǎn)化法及化學(xué)吸收法等。 1. 碳氫化合物轉(zhuǎn)化法 碳氫化合物轉(zhuǎn)化法 [11]：碳氫化合物轉(zhuǎn)化法是在催化劑作用下，將 CO2轉(zhuǎn)化為甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。 日本東北電力公